自由活塞發動機是一種線性的“無曲柄”內燃機，其中活塞運動不受曲軸控制，而是由來自燃燒室氣體的力的相互作用、回彈裝置（例如，活塞封閉氣缸）和負載裝置（例如氣體壓縮機或線性交流發電機）。所有此類活塞發動機的目的是產生動力。在自由活塞發動機中，這種動力不傳遞到曲軸，而是通過驅動渦輪機的廢氣壓力、通過驅動線性負載（如空氣壓縮機）來獲得氣動動力，或者通過將線性交流發電機直接集成到活塞產生電能。自由活塞發動機的基本配置俗稱單活塞、雙活塞或對置活塞，指的是燃燒氣缸的數量。自由活塞發動機通常受限于二沖程工作原理，因為每個前后循環都需要做功沖程。但是，分體式循環四沖程版本已獲得專利，GB2480461（A）于2011-11-23公布。

現代自由活塞發動機由RPPescara提出，最初的應用是單活塞空氣壓縮機。Pescara成立了BureauTechniquePescara以開發自由活塞發動機，RobertHuber從1924年到1962年擔任該局的技術主管。發動機概念在1930年至1960年期間是一個備受關注的話題，并且開發了許多商業上可用的單元。這些xxx代自由活塞發動機無一例外地是對置活塞發動機，其中兩個活塞機械連接以確保對稱運動。與傳統技術相比，自由活塞發動機具有一些優勢，包括緊湊性和無振動設計。

自由活塞發動機概念的首次成功應用是作為空氣壓縮機。在這些發動機中，空氣壓縮機氣缸與移動活塞相連，通常采用多級配置。其中一些發動機利用壓縮機氣缸中剩余的空氣使活塞返回，從而消除了對回彈裝置的需要。自由活塞式空氣壓縮機被德國海軍使用，具有高效、緊湊、低噪音和振動的優點。

自由活塞式空壓機成功后，多個工業研究小組開始著手研制自由活塞式氣體發生器。在這些發動機中，沒有與發動機本身耦合的負載裝置，但動力是從排氣渦輪中提取的。因此，渦輪機的旋轉運動可以驅動泵、螺旋槳、發電機或其他設備。在這種布置中，發動機的xxx負載是對進氣進行增壓??，盡管理論上如果需要，這些空氣中的一些可以被轉移用作壓縮空氣源。這種修改將使自由活塞發動機在與上述排氣驅動渦輪結合使用時，除了按需提供壓縮空氣外，還能夠提供動力（來自渦輪的輸出軸）。開發了許多自由活塞式氣體發生器，這些裝置廣泛用于固定和船舶動力裝置等大規模應用。曾嘗試將自由活塞式氣體發生器用于車輛推進（例如在燃氣渦輪機車中），但沒有成功。

自由活塞發動機概念的現代應用包括用于非公路車輛的液壓發動機和用于混合動力電動汽車的自由活塞發動機發電機。

這些發動機通常是單活塞式的，液壓缸使用液壓控制系統作為負載和回彈裝置。這使該裝置具有很高的操作靈活性。已經報道了出色的部分負載性能。

多個研究小組正在研究用于混合動力電動汽車作為增程器的自由活塞線性發電機，該發電機消除了活塞和氣缸壁中帶有電線圈的重型曲軸。xxx臺自由活塞發電機于1934年獲得專利。例子包括PempekSystems[4]根據德國專利制造的Stelzer發動機和自由活塞動力組。2013年，德國航空航天中心(DeutschesZentrumfürLuft-undRaumfahrt;DLR)展示了單活塞自由活塞線性發電機。這些發動機主要為雙活塞式，結構緊湊，功率重量比高。這種設計的一個挑戰是找到一種重量足夠輕的電動機。據報道，雙活塞發動機具有高循環間變化形式的控制挑戰。2014年6月，豐田發布了一款自由活塞發動機線性發電機(FPEG)原型。當活塞在做功沖程期間被迫向下時，它通過氣缸中的繞組以產生三相交流電。活塞在兩個沖程中都產生電能，從而減少活塞死區損失。發電機以二沖程循環運行，使用液壓驅動的排氣提升閥、汽油直噴和電子操作閥。該發動機易于改裝，可在各種燃料下運行，包括氫氣、天然氣、乙醇、汽油和柴油。兩缸FPEG本質上是平衡的。豐田聲稱連續使用時的熱效率等級為42%，xxx超過了今天25-30%的平均水平。豐田展示了一個24英寸長、2.5英寸直徑的裝置，可產生15馬力（大于11千瓦）。

自由活塞發動機的運行特性不同于傳統的曲軸發動機。主要區別在于自由活塞發動機中的活塞運動不受曲軸的限制，從而產生了可變壓縮比的潛在價值特征。然而，這也帶來了控制方面的挑戰，因為必須精確控制死點的位置，以確保燃料點火和有效燃燒，并避免缸內壓力過大，或者更糟的是，活塞撞擊氣缸蓋.自由活塞發動機具有許多獨特的特點，其中一些賦予了它潛在的優勢，而另一些則代表了自由活塞發動機必須克服的挑戰，才能成為傳統技術的現實替代品。由于端點之間的活塞運動不受曲柄機構的機械限制，自由活塞發動機具有可變壓縮比的寶貴特性，可提供廣泛的運行優化、更高的部分負載效率和可能的多燃料運行。這些通過適當的控制方法通過可變燃料噴射正時和氣門正時得到增強。可變沖程長度是通過適當的頻率控制方案來實現的，例如PPM（脈沖暫停調制）控制[1]，其中使用可控液壓缸作為回彈裝置，活塞運動在BDC處暫停。因此，可以通過在活塞到達BDC和為下一個沖程釋放壓縮能量之間施加暫停來控制頻率。由于活動部件較少，因此降低了摩擦損失和制造成本。因此，簡單而緊湊的設計需要較少的維護，從而延長了使用壽命。純線性運動導致活塞上的側向載荷非常低，因此對活塞的潤滑要求較低。自由活塞發動機的燃燒過程非常適合均質充氣壓縮點火(HCCI)模式，其中預混合充氣被壓縮并自燃，從而導致非常快速的燃燒，同時對精確點火正時控制的要求較低。此外，由于幾乎恒定的體積燃燒和燃燒稀薄混合物以降低氣體溫度并因此降低某些類型的排放物的可能性，獲得了高效率。通過并行運行多臺發動機，可以減少由于平衡問題引起的振動，但這需要精確控制發動機轉速。另一種可能性是應用配重，這會導致設計更復雜、發動機尺寸和重量增加以及額外的摩擦損失。由于沒有像傳統發動機中的飛輪那樣的儲能裝置，它將無法驅動發動機轉數圈。因此，如果發動機未能建立足夠的壓縮或如果其他因素影響噴射/點火和燃燒，發動機可能會停止。這會導致失火并需要精確的速度控制。

自由活塞概念的潛在優勢包括：

• 設計簡單，運動部件少，結構緊湊，維護成本低，摩擦損失小。
• 通過可變壓縮比實現的操作靈活性允許針對所有操作條件和多燃料操作進行操作優化。自由活塞發動機更適用于均質充氣壓縮點火(HCCI)操作。
• 上止點(TDC)附近的高活塞速度和快速的動力沖程膨脹增強了燃料-空氣混合并減少了熱傳遞損失和形成氮氧化物(NOx)等與溫度相關的排放物的時間。

自由活塞發動機面臨的主要挑戰是發動機控制，這對于單活塞液壓自由活塞發動機來說只能說是完全解決了。諸如燃燒過程中循環變化的影響和雙活塞發動機瞬態運行期間發動機性能的影響等問題是需要進一步研究的主題。

曲軸發動機可連接交流發電機、油泵、燃油泵、冷卻系統、起動機等傳統配件。旋轉傳統汽車發動機配件（例如交流發電機、空調壓縮機、動力轉向泵和防污染裝置）的旋轉運動可以從位于排氣流中的渦輪機中捕獲。

大多數自由活塞發動機是具有單個中央燃燒室的對置活塞式發動機。一種變體是具有兩個獨立燃燒室的對置活塞發動機。Stelzer引擎就是一個例子。

進入21世紀，自由活塞發動機的研究仍在繼續，許多國家已經公布了專利。在英國，紐卡斯爾大學正在對自由活塞發動機進行研究。德國航天中心正在研制一種新型的自由活塞發動機——自由活塞線性發電機。除了這些原型，美國西弗吉尼亞大學的研究人員正在開發一種單缸自由活塞發動機原型，該發動機具有工作頻率為90Hz的機械彈簧。